Это вторая часть статьи, посвященная моему посещению весенней выставки медицинского оборудования и комплектующих CMEF&ICMD в Шанхае в 2018 году. В ней будет рассказано о таком типе приборов клинической диагностики как биохимические анализаторы. На примере приборов, представленных на выставке, будет рассказано о типах, принципах работы и особенностях различных биохимических анализаторов.
Часть 1. Общий обзор выставки
Немного биохимии
Если у вас берут кровь из вены, то это может делаться, в том числе, для проведения биохимического анализа крови. Данный метод лабораторной диагностики позволяет получить информацию об обмене веществ в клетках, что, в свою очередь, определяет качество работы внутренних органов и организма в целом. Дело в том, что живые клетки содержат большое количество известных всем химических соединений таких как белки, углеводы, липиды. Метаболизм клетки зависит от количества и соотношения данных веществ. Часть из них являются важными биохимическими показателями (уверен, что многие слышали такие слова как глюкоза, холестерин, общий белок, триглицериды и т.п.) и имеют диапазон нормальных концентраций. Выход значения концентрации вещества из диапазона приводит к нарушениям метаболизма. Примерная норма для глюкозы 3,33—5,55 ммоль/литр. Недостаток глюкозы приводит к энергетическому голоданию клеток и снижению функциональных возможностей организма. Избыток же увеличивает риск возникновения всем известного сахарного диабета.
Одним из вариантов выделения длины волны является использование полосковых оптических фильтров
Теперь перейдем к тому, как можно определить концентрацию того или иного вещества. Для этого исследуемый образец (например, кровь) смешивают со специальным реагентом. В результате последовательности химических реакций получается вещество, которое поглощает свет на определенных длинах волн. Измеряя это поглощение можно выяснить концентрацию исходного вещества. Оптическим результатом измерения является вычисленная оптическая плотность. Для примера вновь рассмотрим глюкозу. Если ее смешать со специальным реагентом, то можно получить вещество НАДН, которое поглощает свет на длине волны 340 нм. Чем больше глюкозы было изначально, тем больше НАДН получится в результате реакции, и тем больше будет поглощение.
Фактически, предыдущий абзац кратко описывает принцип проведения теста биохимическим анализатором:
- Смешивание реагента и пробы
- Проведение биохимической реакции
- Измерение оптической плотности
- Вычисление концентрации исследуемого вещества
Отмечу также, что самый первый метод измерений был визуальным. Цвет и интенсивность определялись на глаз и сравнивались с таблицей цветов для известных концентраций. Раствор с реакцией на глюкозу, например, окрашивается в розовый цвет. Чем выше концентрация глюкозы, тем темнее окрас раствора. Но точность измерений таким методом, разумеется, довольно низкая. Затем стали использовать фотометры, позволяющие определять интенсивность на конкретной длине волны. В конечном итоге, для медицинских лабораторий создали биохимические анализаторы.
Полуавтоматы и автоматы
Перейдем непосредственно к приборам. Существуют две группы биохимических анализаторов – полуавтоматические и автоматические. Приборы первой группы, по сути, являются фотометрами, позволяющими проводить измерения по определенным программам и производить автоматический расчет концентраций. Однако проведение самих реакций (т.е. смешивание реагентов и проб) производится человеком. Такие приборы довольно дешевы и используются в клиниках и лабораториях, в которых
Полуавтоматический биохимический анализатор ES-105 компании Bioelab. Типичный представитель группы полуавтоматов. Компактный и дешевый. В последнее время намечается тенденция частичной замены таких приборов автоматическими анализаторами малой производительности, т.к. они довольно близко приблизились по стоимости.
В автоматических же анализаторах процесс проведения биохимического анализа полностью автоматизирован. Прибор самостоятельно производит смешивание реагентов и проб, проводит измерения и расчеты. Необходимо только задать какие тесты проводить и установить пробы и реагенты. Автоматические анализаторы дороже полуавтоматов, однако обладают более высокой скоростью и точностью измерений. Именно об автоматических анализаторах будет вестись дальнейшее повествование.
Производительность
Автоматические анализаторы, в свою очередь, также подразделяются на категории по основному параметру для данного типа приборов — производительности.
Биохимический тест занимает время. От одной до пары десятков минут. Если мы будем проводить тесты последовательно, то это будет очень долго. Поэтому приборы спроектированы таким образом, чтобы проводить тесты последовательно-параллельно. Имеется множество кювет, в которые добавляются реагенты и пробы. Добавление происходит последовательно,
но, т.к. сама реакция может идти десятки минут, можно считать, что в соседних кюветах реакции идут параллельно. Время между добавлением, например, реагента, в две соседние кюветы называется временем цикла прибора (более подробное описание цикла будет дано позже). Чем короче цикл, тем выше производительность анализатора. Типовая производительность абсолютного большинства приборов 200-2000 тестов/час.
Приборы малой производительности могут быть настольными и достаточно компактными. По словам китайских производителей, особой популярностью такие анализаторы пользуются в бедных регионах (Африка, южная Америка, юго-восточная Азия), где остро стоит вопрос стоимости, но при этом полуавтоматические анализаторы уже не подходят. Компактность приборов позволяет их использование в мобильных лабораториях. На выставке сразу несколько компаний представляли свои новинки анализаторов на 200 тестов/час. Сейчас данные приборы набирают популярность, в том числе и в России.
Автоматический анализатор NEO-1200 компании Zeccen на 120 тестов/час. Один из самых низкопроизводительных и компактных автоматов
Приборы средней производительности (300 – 800 тестов/час) составляют наиболее массовую группу. Поставляются в большинство клиник и лабораторий. Цена таких приборов выше, но и помимо большей производительности, объем загружаемых реагентов и проб значительно больше. В отличие от предыдущей группы, могут содержать встроенные станции очистки воды, отсеки для срочных проб, проводить тесты с двумя реагентами.
Автоматический анализатор ES-480 компании Bioelab производительностью в 400 тестов/час. Может нести на борту 90 флаконов с реагентами и 120 пробирок с пробами.
Приборами высокой производительности (>800 тестов/час) комплектуются крупные госпитали. Это достаточно дорогие анализаторы, позволяющие проводить измерения с большой скоростью. Очень часто пробирки с образцами в таких приборах располагаются не в барабане, а подаются по специальной трекинговой системе (добавить новые пробы можно в любой момент). Наряду с несколькими барабанами реагентов, такие приборы могут обеспечить многочасовое непрерывное тестирование.
Анализатор BS-2000 компании Mindray производительностью 2000 тестов/час. В левой части находятся два барабана с реагентами. Спереди прибора трековая система подачи проб.
Верхний предел производительности одиночного прибора — 2200 тестов/час, однако, если в анализаторе имеется трековая система подачи проб, то, зачастую, имеется возможность объединения нескольких приборов в одну линию, увеличивая общую производительность кратно количеству анализаторов в линии. Часто бывает, что в линию добавляют не только биохимические анализаторы, но и, например, иммуноферментные и хемилюминесцентные анализаторы.
Модульная система Biolumi 8000 компании Snibe, содержащая (слева-направо) два имунноанализатора, два биохимических анализатора, анализатор электролитов и модуль подачи проб.
Принцип работы
Проведение биохимического анализа образцов начинается с подготовительного этапа. В барабан проб (или в кассеты в случае трековой системы) устанавливаются измеряемые образцы. Обычно это пробирки на 5-10 мл с кровью, плазмой или мочой. Далее, в зависимости от того, какие биохимические тесты необходимо проводить, в барабан реагентов устанавливаются флаконы с соответствующими реагентами. Оператор (обычно лаборант) задает позиции проб и реагентов, их параметры, и каждой пробе назначает необходимые тесты.
Барабан проб прибора URIT-8280 компании URIT. Подобная конструкция барабана позволяет считывать штрих-код с пробирок, встроенным в прибор сканером. Это позволяет в автоматическом режиме вносить в прибор сведения о пробе и необходимых тестах. Максимальная загрузка такого барабана — 99 пробирок.
Стоит отдельно отметить, что барабаны с реагентами в обязательном порядке охлаждаются до температуры, соответствующей температуре в обычных бытовых холодильниках. Это необходимо для сохранности реагентов, т.к. большинство из них храниться при 4-6 градусах. Прибор может работать целый день, а флакона с реагентом может хватать на недели и месяцы. С пробами проще, т.к. они, обычно, не хранятся, поэтому для них специальное охлаждение не требуется.
Баран с реагентами того же URIT-8280. Общая загрузка 80 флаконов, причем для разных рядов размеры флаконов различаются.
После загрузки необходимых реагентов и проб запускается инициализация прибора. Данный этап включает в себя проверку работоспособности различных систем, установку начальных состояний, прогрев барабана с кюветами (биохимические реакции идут при 37 градусах, как в живом организме). Также, в зависимости от прибора, сюда может входить промывка реакционных кювет, замер начальных уровней реагентов и проб, подготовительные оптические измерения, словом, различные процедуры, необходимые для проведения биохимических тестов.
Барабан кювет прибора TC 9082 компании Tecom. В данном приборе используются одиночные кюветы, хотя в некоторых приборах могут быть целые литые сегменты. Изготавливаются из пластика или кварцевого стекла.
Моющая станция прибора URIT 8300. Иглы состоят из двух трубок — по одной жидкость удаляется из кюветы, по другой в кювету добавляется вода или моющий раствор. После промывки кювету можно использовать повторно.
После запуска прибора происходит последовательное добавление реагентов и проб в реакционные кюветы. Добавлением занимаются специальные дозаторы. Если кюветы многоразовые, то они промываются специальной моющей станцией. После того, как в кювету добавлены реагент и проба, производится перемешивание смеси специальным миксером, хотя иногда данная операция может осуществляться иглой дозатора. Перемешивание необходимо для получения гомогенного раствора. Можно вновь вспомнить реакцию на глюкозу. Если не перемешать раствор после добавления пробы, то реакция пройдет только у дна кюветы, и мы увидим красивый градиент, идущий от насыщенного красного у нижней части кюветы к прозрачному в верхней части. Это красиво, но, увы, ненадежно для измерений.
Слева: игла дозирования проб прибора UP 5000 компании Sunmed. Игла забирает пробу, добавляет ее в кювету, затем промывается деионизированной водой
Справа: миксер прибора URIT 8300. После перемешивания раствора в кювете миксер также промывается водой
К слову об измерениях. Оптические системы приборов довольно разнообразны, но все они, так или иначе, состоят из двух частей – излучателя и приемника. Излучатель формирует параллельный пучок света. Приемник измеряет интенсивность прошедшего через кювету света на определенных длинах волн. Диапазон длин довольно большой — весь видимый свет и ближний УФ, но из всего диапазона обычно нужно лишь 10-14 конкретных длин волн.
За время проведения биохимической реакции проводится ряд измерений, на основе которых определяется концентрация измеряемых веществ.
Слева: шприцевой насос для дозаторов
По центру: емкость или с моющим раствором (необходим для промывки кювет), или с отходами
Справа: промежуточная емкость с чистой водой. Для промывки кювет и игл нужна не просто чистая, но и деионизированная вода
Фактически, на этом все. После проведения последнего измерения работа прибора завершается. Есть, конечно, специальные функции проведения контроля качества, калибровок, контроля линейности, но они являются вариациями вышеописанного.
Стоит только сказать, что управление прибором осуществляется десктопной программой на внешнем компьютере. В ней содержаться все алгоритмы и режимы работы прибора, реакции на те или иные события, интерфейс пользователя. Каждый производитель под каждый прибор пишет собственное ПО, поэтому качество, зачастую, страдает. Много багов, вылетов, о грамотном UX вообще мало кто слышал. Ну а техническая поддержка это отдельная песня. Исправлений серьезных ошибок можно ждать по полгода. Но лаборанты народ неприхотливый — привыкают.
В заключение
Разнообразие рынка биохимических анализаторов довольно большое. Только на выставке CMEF 2018 были представлены десятки компаний-производителей и сотни приборов. Часть компаний занимается исключительно биохимическими анализаторами, иные также производят реагентику, ну а некоторые гиганты рынка имеют широкий спектр продукции из различных областей медицины. Хотя концептуально анализаторы двадцатилетней давности не сильно отличаются от современных, многие технические решения совершенствуются, что повышает качество приборов и снижает их стоимость. Сейчас также приборы значительно более доступны, чем пару десятков лет назад. По прогнозам Persistence Market Research от 2017 мировой рынок биохимических анализаторов к 2024 году вырастет практически на 50% в долларовом выражении.
Примерно так некоторые производители видят оснащение крупных лабораторий
Если говорить о России, то различными биохимическими анализаторами оснащаются не только крупные клиники, но и небольшие лаборатории в маленьких городах. Подавляющее большинство таких приборов китайские. Биохимических анализаторов российского производства, увы, практически нет, поэтому в данном сегменте мы лишь потребители. На волне импортозамещения стали появляться анализаторы российской сборки, но о полноценном производстве речь пока не идет. Зато ситуация с реагентами для биохимического анализа обстоит лучше – есть несколько российских фирм производителей реагентики. Будем надеяться, что со временем появятся и российские современные биохимические анализаторы.
